基于5G超密集網絡用戶活躍狀態(tài)的切換管理策略*

張守武，王鳳麗，袁春經

（1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶400065；2.中國科學院計算技術研究所，北京 100190； 3.移動計算與新型終端北京市重點實驗室，北京 100080）

0 引 言

5G超密集網絡通過高密度的基站部署獲得更大的小區(qū)分裂增益[1]，實現相比于LTE更高的頻譜效率和容量。但是，基站部署密度的增加帶來了巨大的問題[2-5]。一方面，小區(qū)密度增加使得相鄰小區(qū)間同頻干擾問題變得更嚴重，需要更優(yōu)的頻率復用技術來處理干擾問題。另一方面，基站的密集部署必然使單個基站具有較小的發(fā)射功率和覆蓋范圍，用戶切換的頻率和切換失敗幾率會更高。對于超密集無線網絡干擾問題，研究學者已經提出了大量干擾管理技術[6-7]，如虛擬層技術、小區(qū)動態(tài)分簇等，對如何有效進行節(jié)點協(xié)作、干擾消除以及干擾協(xié)調提出了有效的解決思路。然而，對于用戶的切換次數和切換失敗率問題，大多研究針對用戶有業(yè)務傳輸時的場景進行研究，且主要通過調整與切換相關參數[8]降低切換的失敗率和切換次數。但是，面對超密集網絡復雜的網絡環(huán)境，基于調參的思路對提升切換成功率雖有幫助，但并不能有效降低切換次數。文章研究終端在RRC連接的三種狀態(tài)，分析用戶業(yè)務活躍狀態(tài)。當終端與基站保持連接但處于非激活檢測期間需要進行切換時，通過有數據到達的概率大小使終端進行不同的處理，借此有效降低切換次數，獲得較低的平均中斷時延。

本文提出的用戶活躍狀態(tài)切換管理策略通過在切換管理中引入5G RRC Inactive狀態(tài)轉換，降低了大量不必要的切換，同時采用終端主導的移動性管理，避免了切換過程中由于信道質量下降終端無法收到切換命令導致切換失敗的問題。

1 系統(tǒng)模型

1.1 RRC狀態(tài)與移動性管理

為了減少信令和功耗，實現快速接入，5G NR下RRC除了包含RRC Idle和RRC Connected兩種狀態(tài)外，新引入RRC Inactive狀態(tài)[9-10]。不同RRC狀態(tài)間轉移如圖1所示。

當處于Inactive狀態(tài)時，終端會基于自身主導的移動性管理進行小區(qū)重選，以駐留到無線環(huán)境較好的小區(qū)。同時，由于原服務基站依舊維護該終端的上下文，終端可以快速在新的小區(qū)建立RRC連接。

圖1 RRC狀態(tài)轉移

1.2 不必要切換場景

當UE的MAC檢測到沒有上下行數據傳輸時，會啟動非活躍定時器，時長一般設為20 s。圖2為非活躍檢測流程。

圖2 非活躍檢測

若非活躍定時器超時，UE將從Connected狀態(tài)向Inactive狀態(tài)遷移。若此時間段出現信道質量下降，UE將向基站發(fā)送測量報告。基站做出切換判決后，開始對UE做切換處理，處理結果出現以下兩種情況：（1）成功切換到目標基站；（2）出現切換失敗的情況，UE發(fā)起重建過程。

分析上述兩種可能出現的情況可知，當UE處于沒有數據傳輸的非活躍檢測狀態(tài)進行切換時，如果切換前后依舊沒有數據傳輸，當MAC層再次啟動非活躍定時器并超時，UE將遷移進入Inactive狀態(tài)，此時發(fā)生不必要的切換。

2 用戶活躍狀態(tài)切換管理策略

對于大量UE進行不必要切換，如果切換成功，切換只是給接入網帶來大量不必要的信令處理。一旦不必要切換流程出現切換失敗問題，UE發(fā)起重建過程將帶來更多的信令處理和資源分配流程，同時UE出現較大的中斷時延。因此，減少不必要的切換，對解決5G超密集組網場景下用戶的切換次數和切換失敗率巨增的問題顯得十分重要。

為了減少非活躍檢測期間的不必要切換，引入Inactive狀態(tài)轉換。當非活躍檢測期信道質量變差需要切換時，通過將終端由RRC Connected狀態(tài)向Inactive狀態(tài)遷移。這樣一方面避免了切換給接入網帶來的大量信令處理，另一方面不會出現切換過程中終端由于與服務基站的信道質量惡化出現接收切換命令失敗的問題。

同時，由于狀態(tài)轉換是將終端從連接態(tài)轉為低功耗的非連續(xù)接收態(tài)，因此相較于切換處理，當有數據到達時，狀態(tài)轉換流程會產生較高的接收時延。

2.1 各流程中斷時延分析

2.1.1 狀態(tài)轉換中斷時延

圖3為狀態(tài)轉換信令流程圖[11]。

圖3 狀態(tài)轉換信令流程

當終端處于RRC Inactive狀態(tài)后與服務基站斷開連接再次回到RRC Connected狀態(tài)，需要進行隨機接入過程。當終端更換接入基站時，接入基站向上次服務基站請求UE上下文，終端收RRC Connection Resume后完成接入。考慮到基站間為理想回程鏈路，則中斷時延TCD滿足以下關系：

其中RTT為無線傳輸往返時延，delayRA為隨機接入時延。

2.1 .2 切換成功時中斷時延

圖4為切換成功信令流程。

圖4 切換成功信令流程

切換成功時，同樣考慮基站間為理想回程鏈路，中斷時延主要由終端收到重配置消息后向目標基站進行隨機接入過程和上發(fā)重配置完成。中斷時延THIL滿足以下關系：

2.1.3 切換失敗時中斷時延

圖5為切換失敗的信令流程。

切換發(fā)生失敗時，同樣考慮基站間為理想回程鏈路，中斷時延主要由終端進重建的隨機接入流程、RRC重建流程和上發(fā)重建完成。中斷時延THFIL滿足以下關系：

可以看出，進行狀態(tài)轉換時，相較于切換成功過程需要多的重選時間和空口信令傳輸時間。但是，如果發(fā)生切換失敗，重建流程會花費更多的空口信令傳輸時間。因此，可以從兩方面考慮是否用狀態(tài)轉換代替切換。

圖5 切換失敗信令流程

2.2 數據到達的概率

若終端在非活躍檢測階段用戶數據到達可能性較低，那么可以認為當前時刻對時延不敏感，當有切換需求時可以進行狀態(tài)轉換代替切換。那么，問題將變成對用戶有數據到達的可能性分析。

記檢測到上下行無數據，開啟非活躍定時器的時刻為t=0。當t=T時，上下行依舊無數據，此時非活躍定時器超時，終端轉換到Inactive狀態(tài)。假設t=t0時刻，信道質量惡化，有切換需求。研究從時刻t=t0到t=T時間內有數據到達的概率。

設用戶數據到達為泊松流，數據到達率為λ。將t=t0到t=T這段時間（t0，T）分為n份，記每一小段時間間隔為Δt：

Δt時間間隔內有數據到達的概率為：

則Δt時間間隔內沒有數據到達的概率為：

當t=T定時器超時的概率為：

代入式（4）后，得到：

注意，當n→∞取極限：

得：

則定時器未超時，有數據到達的概率為；

2.3 基于切換失敗率和數據到達率處理策略

由2.2對數據到達的概率研究可以看到，非活躍檢測階段當用戶數據到達率較小，或是信道質量變差時刻t0接近超時時間T時，用戶數據到達概率較低，看作對時延不敏感時刻，可以不作其他考慮將終端轉移到Inactive狀態(tài)。大多數情況下，數據到達概率很高，看作對時延敏感時刻，需要考慮不同策略對中斷時延的影響。

若終端在非活躍檢測階段用戶數據到達概率較高，通過基站統(tǒng)計的小區(qū)切換成功率可以體現當前小區(qū)的無線環(huán)境質量。因此，通過比較切換平均中斷時延與轉態(tài)轉換中斷時延的大小進行判決。

切換平均中斷時延為：

其中THIL為切換成功時中斷時延，由式（2）給定；THFIL為切換失敗時中斷時延，由式（3）給定；P為基站統(tǒng)計的切換失敗率。

當有數據到達時，進行狀態(tài)轉換和切換的中斷時延差為TH-C：

P′T、TAIL和TCD分別由式（11）、式（12）和式（1）給出。

決策流程如圖6所示。

圖6 處理策略流程

3 性能分析

通過基于數據到達的概率和基于基站統(tǒng)計切換失敗率的分析，認為：當數據到達可能性低的情況下進行狀態(tài)轉換；當基站統(tǒng)計的切換失敗率較高時進行狀態(tài)轉換。顯而易見，通過這樣的處理降低了切換事件的次數。下面將分析引入狀態(tài)轉換后對切換的中斷時延的影響。

3.1 數據到達概率低

當數據到達概率低時，用戶不太在意中斷時延對服務質量造成的影響。因此，雖然進行狀態(tài)轉換產生的中斷時延要比切換成功產生的中斷時延大，但避免了切換失敗的可能性。

3.2 數據到達概率高

當數據到達概率高時，用戶會在意中斷時延對服務質量造成的影響。

當不引入基于基站統(tǒng)計切換失敗率的處理決策時，有：

其中，P′T和TAIL由式（11）和式（12）給定。

引入基于基站統(tǒng)計切換失敗率的處理決策 時，有：

其中，P′T、TAIL和TCD分別由式（11）、式（12）和式（1）給出。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 有數據到達概率

表1為有數據到達概率的仿真參數。非活躍定時器定時時間段T內有數據到達的可能性與非活躍檢測階段有切換需求的時刻t0和用戶數據達到率的大小有關，仿真結果如7所示。

表1 有數據到達概仿真參數

由圖7可知，當用戶數據到達率一定時，隨著信道質量變差時刻t0的變大，有數據到達的概率降低。這是由于當t0越接近定時時長T時，等待數據到達的時間越短，因此有數據到達的概率越低。當信道質量變差時刻t0一定時，有數據到達的概率隨著用戶數據到達率的變大而變大，可以解釋為當用戶對網絡需求較大時，有數據到達的概率越高。

圖7 用戶有數據傳輸概率

4.2 平均中斷時延差

根據3GPP的協(xié)議標準和系統(tǒng)模型場景，設置仿真參數如表2所示。

表2 平均中斷時延差仿真參數

通過比較切換處理和狀態(tài)轉換的平均中斷時延差的大小變化體現處理策略，如圖8所示。

圖8 平均中斷時延差

由圖8可知，當切換失敗率P為0時，TH-C的值為負，此時無線環(huán)境質量較好，切換成功率高，切換時延小于狀態(tài)轉換時延；隨著P的增加，TH-C越來越大，這是由于大概率的切換失敗后的重建，導致了平均中斷時延的變大。

4.3 平均中斷時延

表3為平均中斷時延仿真的相關參數。通過圖9可以看到，未引入策略，當切換失敗率P較小時，平均中斷時延較小；而當切換失敗率P逐漸增加時，切換失敗率急劇上升。對比圖10，引入策略后，當切換失敗率P＜0.1時，平均中斷時延與未引入策略相當。這是由于當切換失敗率低時，策略選擇切換處理，獲取較小的平均中斷時延；當切換失敗率P＞0.1后，策略選擇狀態(tài)轉換，從而獲取到較小平均中斷時延。注意，當P=0.1時，附近平均中斷時延有一個緩慢下降過程，這是由于當切換失敗率P處于0.1附近時，切換處理和狀態(tài)轉換間的平均中斷時延差很小，進行決策時具有一定的偶然性。

表3 平均中斷時延仿真

圖9 未引入策略平均中斷時延

因此，經過仿真得到的數據可以得知：當切換失敗率較小時，進行切換處理能獲得較小的平均中斷時延；當切換失敗率過大時，進行狀態(tài)轉換能獲得較小的平均中斷時延。

圖10 引入策略后平均中斷時延

5 結 語

本文首先說明了超密集網絡存在的過高切換頻率和切換失敗率的問題，然后闡述了一種不必要切換場景，并在引入5G新加入的RRC Inactive狀態(tài)后，提出了基于切換失敗率和用戶數據到達率的處理策略。針對不必要切換場景相比于完全進行切換處理，本文提出的策略能獲得更低的中斷時延、切換概率以及切換失敗率。